事實(shí)上，日光溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳熱過程并非穩(wěn)態(tài)，為了更為客觀的掌握溫室內(nèi)部的熱環(huán)境，就要進(jìn)行墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱分析，進(jìn)而了解墻體的熱工性能及其熱傳導(dǎo)過程，進(jìn)而改善其隔熱保溫措施，這對日光溫室能耗分析來說是關(guān)鍵的一部分，有助于節(jié)能型日光溫室設(shè)計(jì)和運(yùn)用的發(fā)展。
一、墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱
墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱過程、墻體內(nèi)部的溫度分布以及熱流量隨著時(shí)間的變化規(guī)律的求解，實(shí)質(zhì)上就是求解以下兩個(gè)偏微分方程：上述兩個(gè)偏微分方程的解法主要有以下兩種：積分變換法和有限差分法。本文所關(guān)心的問題是墻體表面發(fā)生的溫度和熱流量變化，至于墻體內(nèi)每個(gè)部位的具體溫度變化則不必細(xì)究。日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整個(gè)傳熱過程溫度變化范圍較小，可以將墻體導(dǎo)熱系數(shù)又和導(dǎo)溫系數(shù)Q當(dāng)做是常數(shù)。因此，選擇使用積分變換法來計(jì)算該常系數(shù)線性偏微分方程組定解問題。按照不同的邊界條件分解方式，積分變換法可分為諧波反應(yīng)法和瞬態(tài)反應(yīng)法。由于太陽輻射等外部條件時(shí)刻發(fā)生變化，引起改變的不確定的因素時(shí)刻存在，難以用規(guī)律的正弦函數(shù)來描述，所以諧波反應(yīng)法不可能作為持續(xù)性的能耗分析工具0瞬態(tài)反應(yīng)法又包括Z傳遞函數(shù)法和反應(yīng)系數(shù)法，兩種方法都是把連續(xù)擾量離散成按時(shí)間序列進(jìn)行分布的單元擾量。板壁的非穩(wěn)態(tài)傳熱中，常見等腰三角波作為單元擾量，即要求獲得板壁熱力系統(tǒng)的Z傳遞系數(shù)或者反應(yīng)系數(shù)，而兩者具有相似的含義和求解方法。以下就分別對兩種方法進(jìn)行簡單的介紹。
(1)反應(yīng)系數(shù)法
反應(yīng)系數(shù)法在求解問題時(shí)基本思路是，把隨著時(shí)間連續(xù)變化的擾量曲線離散成為按時(shí)間序列進(jìn)行分布的單元擾量；然后再求出墻體的熱力系統(tǒng)對于單位單元擾量的反應(yīng)系數(shù)；最后，運(yùn)用已求得的反應(yīng)系數(shù)疊加積分后算出單位面積板壁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐時(shí)傳熱得熱量。Mitalas和Stephenson提出并且詳細(xì)介紹了反應(yīng)系數(shù)法在負(fù)荷計(jì)算中起到的應(yīng)用。墻體的反應(yīng)系數(shù)序列YG)的定義是墻體對于其單位等腰溫度的三角波輸入熱流所具有的輸出值的等時(shí)間序列。它能夠描述墻體受到室外溫度擾量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，通過三角波的疊加來逼近室外空氣綜合溫度變化情況，從而獲得墻體熱力系統(tǒng)對于任意室外擾量所產(chǎn)生的響應(yīng)。反應(yīng)系數(shù)法適用于任何一種擾量，它有別于諧波法的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是，反應(yīng)系數(shù)法并不要求邊界條件具有周期性，因此它可以用于全年性的動(dòng)態(tài)模擬。為了獲得反應(yīng)系數(shù)，需要對墻體傳熱或者吸熱傳遞函數(shù)的分母B(s)求根，也就是求出s傳遞函數(shù)的極值點(diǎn)，然后運(yùn)用Heaviside展開式求解得到最終的結(jié)果，通常稱為直接求根法。但B(s)有無窮多個(gè)負(fù)實(shí)根(-s.)，所以求出所有的根是不現(xiàn)實(shí)的。根小到一定程度時(shí)，其對反應(yīng)系數(shù)產(chǎn)生的影響非常微小，一般只需求得一定數(shù)量的根值，就可以保證反應(yīng)系數(shù)所具有的精度負(fù)荷要求。通過計(jì)算和比較，我們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算Y(0}和Y(1)時(shí)，取傳遞函數(shù)法的理論基礎(chǔ)是由當(dāng)前的輸入值和前一時(shí)刻的輸入值和輸出值共同確定。
和反應(yīng)系數(shù)相同，傳遞函數(shù)也能夠描述墻體動(dòng)態(tài)熱特性，但是所需求的系數(shù)項(xiàng)比起反應(yīng)系數(shù)來說少得多，這就使得計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間和計(jì)算機(jī)存貯空間大大的減小。系統(tǒng)的z傳遞函數(shù)，也即脈沖傳遞函數(shù)，其實(shí)是系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)的z變換。但這里所說到的板壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)z傳遞函數(shù)，是指板壁熱力系統(tǒng)的單位等腰三角脈沖產(chǎn)生的響應(yīng)的z變換，相當(dāng)于系統(tǒng)中設(shè)置了單位等腰三角波保持器。所以，板壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和吸熱的z傳遞函數(shù)，指的就是板壁吸熱和傳熱反應(yīng)系數(shù)序列的z變換。相比于其他的方法，傳遞函數(shù)法最為重要的性質(zhì)就是其輸入輸出的值是等時(shí)間間隔序列值。因此，作為輸入值，太陽輻射強(qiáng)度和室外溫度的逐時(shí)記錄數(shù)據(jù)，只需要做很少的預(yù)處理。此方法主要的局限性是它只能夠用于線性時(shí)不變的系統(tǒng)；而傳遞函數(shù)則可以通過直接求根法來求解墻體的吸熱或傳熱z傳遞函數(shù)來獲得，盡管直接求根法不可避免的失根現(xiàn)象在這里仍然存在；z傳遞函數(shù)作為反應(yīng)系數(shù)的近似形式，必然會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。綜合上述三種常用墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文決定運(yùn)用反應(yīng)系數(shù)法來進(jìn)行墻體非穩(wěn)態(tài)傳熱的計(jì)算。
二、反應(yīng)系數(shù)計(jì)算法
(1)擾量的離散
用等腰三角波來進(jìn)行擾量的離散，能夠?qū)⑹彝鈿夂虻淖兓?guī)律較為精準(zhǔn)的表達(dá)。
三、定義非穩(wěn)態(tài)邊界條件選取8月30日早9：00^-16：30作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的時(shí)間段。計(jì)算域的確定、網(wǎng)格的劃分、控制方程及模擬模型的相關(guān)設(shè)置都與穩(wěn)態(tài)模擬相同，主要邊界條件的設(shè)置為：以上邊界中除了需要用自定義函數(shù)(UDF)來定義的非穩(wěn)態(tài)邊界條件而外，其余邊界條件的確定均與穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬時(shí)相同，這里不再重復(fù)了。下面著重的介紹非穩(wěn)態(tài)邊界條件中入口溫度、膜以及土壤邊界條件的設(shè)置情況。因?yàn)樵?/FONT>9：00—16：30這個(gè)時(shí)段入口溫度、膜、土壤溫度和后墻風(fēng)口里來自室外的新風(fēng)溫度波動(dòng)度都比較大，膜溫隨著太陽輻射強(qiáng)度的變化也一直在改變，所以定義為定溫或者絕熱邊界都與實(shí)際的情況具有較大的差距。并且這些溫度都具有一定的變化規(guī)律，早晚較低而中午較高，即與時(shí)間t存在密切的關(guān)系。上述五個(gè)回歸程式的相關(guān)系數(shù)分別為0.9833，0.9633，0.9843，0.9799，0.9044，說明所測入口溫度、膜、土壤溫度、后墻溫度、后墻風(fēng)口溫度與時(shí)間呈顯著相關(guān)，因此可以用上述五式表達(dá)入口溫度、膜、土壤溫度、后墻溫度、后墻風(fēng)口溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。將土述五個(gè)回歸方程式使用c語言源代碼表達(dá)出來，建立一個(gè)c語言源代碼文件，編譯UDF函數(shù)并連接到FLUENT，在FLUENT中執(zhí)行UDF，進(jìn)行計(jì)算，詳見附錄。
三、三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與分析
設(shè)置完非穩(wěn)態(tài)邊界條件以后，仍然取1e-3作為計(jì)算動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、k及￡方程時(shí)的收斂精度標(biāo)準(zhǔn)，輻射和能量方程的計(jì)算收斂精度標(biāo)準(zhǔn)為1e-6。迭代計(jì)算的步長值設(shè)為60s，每個(gè)步長內(nèi)最大迭代次數(shù)取80次，每問隔30min自動(dòng)保存當(dāng)前時(shí)刻的計(jì)算結(jié)果。圖4-7給出了9：30，13：30與16：30溫度場的計(jì)算結(jié)果，分別選Y=1800mm(對準(zhǔn)風(fēng)口)、Y=6300mm(兩風(fēng)口之間)兩個(gè)截的溫度值來進(jìn)行比較分析。圖4-7反映出了溫室兩個(gè)具有代表性的剖面在不同時(shí)刻呈現(xiàn)出的溫度分布云圖。
本次非穩(wěn)態(tài)模擬從初始時(shí)刻9：30開始到16：30結(jié)束，以上分別選擇了上午9：30(t=1.800e+03)、中午13：30(t=1.6200e+03)、下午16：30(t=2.7000e+03)三個(gè)時(shí)刻的溫度分布云圖來進(jìn)行分析。由圖中能看出：從9：30到13：30溫室內(nèi)溫度逐步升高，薄膜附近的室氣溫度變化幅度較大；到16：30時(shí)，室內(nèi)空氣較13：30已經(jīng)有了明顯的降低，這與實(shí)測結(jié)果吻合，在第二章中我們看到，16：00過后室外溫度開始呈下降趨勢。模擬的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了太陽輻射是導(dǎo)致溫室內(nèi)空氣溫度上升的主要原因。比較不同時(shí)刻的溫度分布云圖能夠看出，不同時(shí)刻室內(nèi)空氣溫度沿高度Z方向的布有所不同，但基本規(guī)律相似，最高溫都出現(xiàn)在溫室頂部，這是由于空氣受到熱浮力往高處上升，并且通過前后風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)在室內(nèi)吸取熱量后經(jīng)風(fēng)壓作用由頂部窗口排出。與測試數(shù)據(jù)相比較可知，整個(gè)計(jì)算空間的模擬得到的溫度分布趨勢和實(shí)測數(shù)據(jù)的規(guī)律基本相同。
四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果
在上午9：30的模擬結(jié)果中取出試驗(yàn)測點(diǎn)處的溫度值與實(shí)測值做比較，如圖4-8所示，從圖4-8中可以看出，三維非穩(wěn)態(tài)的模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出溫室內(nèi)不同點(diǎn)的溫度變化趨勢。模擬的結(jié)果整體比試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏小，最大誤差為3.04℃，位于下端靠近土壤表面處，最小誤差僅為0.001℃。造成模擬值偏小于實(shí)測值的原因，主要是室外氣候的隨機(jī)以及多變性在時(shí)刻改變自然通風(fēng)口的空氣流動(dòng)方向、速度大小、風(fēng)量和溫度等，使得在本次模擬計(jì)算中，邊界條件很難精確的符合實(shí)際情況。
從圖中我們可以看到，雖然模擬結(jié)果顯示的溫室內(nèi)空氣溫度分布與實(shí)測值在數(shù)值上存在一定差異，但除了邊界點(diǎn)外，最大誤差僅在2.2℃以內(nèi)；并且空間分布的總體趨勢是一致的，所以本次對日光溫室熱環(huán)境的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬是成功的。相比于穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測值的吻合程度更高。所以，得出結(jié)論：本章節(jié)建立的三維非穩(wěn)態(tài)CFD模型及包括的邊界條件有效，利用fluent來進(jìn)行夏季自然通風(fēng)條件下日光溫室的熱環(huán)境三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算是可行的。http://m.glacialtech.com.cn
